多材料混合冷冻砂型连续分级分离方法与装置

技术领域

本发明属于铸造砂处理技术领域，具体涉及多材料混合冷冻砂型连续分级分离方法与装置。

背景技术

冷冻砂型铸造技术采用纯水做黏结剂，将混有适量水分的型砂颗粒在低温环境下冻结制备冷冻砂坯后，通过基于切削成形原理的数字化无模铸造成形技术实现冷冻砂型的快速成形，浇注获得合格铸件。将冷冻砂型铸造技术与多材质砂型工艺相结合，选用多种型砂材料作为冷冻砂型耐火骨料制造冷冻砂型(芯)，包括陶粒砂、铬铁矿砂、硅砂和锆英砂，使得冷冻砂型(芯)由于包含多种材质的型砂颗粒而具有多样化的性能，该方法可以显著调控砂型的铸造性能，改善铸件的微观组织。

多材质混合冷冻砂型铸造技术作为一种绿色铸造新技术，在浇注完成后，除少量与高温金属液直接接触的型砂材料被烧蚀外，理论上大部分型砂材料溃散后均可以循环利用，但目前，这部分废砂材料的分类再回收技术还存在以下不足：

(1)缺乏分离锆英砂的相关手段，现有技术中没有将锆英砂与其他型砂材料相分离的装备与方法；

(2)铬铁矿砂的分离率不高，许多铬铁矿砂难以从混合型砂中分离出来；

(3)三种及以上的混合型砂材料的分类回收效率不高，自动化程度低，缺少陶粒砂、铬铁矿砂、硅砂和锆英砂四种型砂材料的连续分类再回收设备。

故如何实现锆英砂的分离，提高铬铁矿砂的分离率，实现三种及以上混合型砂材料的连续分类回收，提高分类回收过程的自动化，提高铸造材料利用率，是当前冷冻砂型铸造技术急需解决的重要问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了本发明公开了多材料混合冷冻砂型连续分级分离方法与装置，通过振动的方式筛分出陶粒砂，电磁吸附的方式分离出铬铁矿砂，重力沉降的方式分离硅砂和锆英砂，可以实现陶粒砂、铬铁矿砂、硅砂和锆英砂这四种型砂材料的分类再回收，减少了多材质冷冻砂型制造过程中的骨架材料损失，大大减少了资源消耗，符合绿色铸造和高性能制造的理念。

为实现上述目的，多材料混合冷冻砂型连续分级分离方法与装置，该装置包括：振动筛分机构，型砂收集仓a，型砂收集仓b，机架，重力分离机构，型砂收集仓c和电磁分离机构；所述振动筛分机构底部设有型砂收集仓a，振动筛分机构的下方由上往下依次设置有电磁分离机构和重力分离机构，重力分离机构位于电磁分离机构右下方；所述电磁分离机构两侧下方分别设置型砂收集仓b和型砂收集仓c，型砂收集仓b位于电磁分离机构驱动滚筒一侧，型砂收集仓c位于电磁分离机构磁选滚筒一侧；振动筛分机构实现陶粒砂的分离，电磁分离机构实现铬铁矿砂的分离，重力分离机构实现硅砂和锆英砂的分离；所述机架将上述机构与部件集成一体，保证整体装置的稳定运行。

作为本方案的进一步地设计，所述振动筛分机构包括进料口、角度调节臂a、筛箱、筛板、筛框、复合弹簧、合页a、出料口、固定梁a、角度调节臂b、调节梁、振动电机、合页b、电机a和送砂辊；所述进料口通过角度调节臂a和合页b安装在筛箱上方，实现进料口角度的调节；所述进料口内部设有两根送砂辊，由电机a控制转，通过调节转速控制下砂量；所述筛箱下侧设有筛板，并通过筛框将筛板固定在筛箱上，筛箱与振动电机相连由振动电机提供振动动力；所述筛箱与调节梁之间通过4个复合弹簧连接，起减震降噪的作用，延长振动筛分机构的使用寿命；所述调节梁和固定梁a之间通过角度调节臂b和合页a来连接，实现筛箱倾斜角度的调节以控制型砂颗粒沿筛板下落速度；所述固定梁a下方设置有出料口，振动筛分得到的较细小型砂颗粒经出料口落入电磁分离机构，较粗大颗粒沿筛板落入型砂收集仓a。

作为本方案的进一步地设计，所述电磁分离机构包括传送皮带、驱动滚筒、驱动链轮、传送电机、从动滚筒、固定梁b、张紧滚筒、磁选滚筒、电磁吸盘和升降臂；所述驱动滚筒通过驱动链轮与传送电机相连实现转动；所述传送皮带一端通过驱动滚筒旋转而带动运作，另一端由从动滚筒和磁选滚筒带动；所述驱动滚筒、从动滚筒和磁选滚筒通过固定梁b固定在同一水平高度上，固定梁上还设置有两组张紧滚筒，调整传送皮带的张力确保传送皮带处于绷紧状态；所述电磁吸盘通过升降臂与固定梁b连接，设置在从动滚筒与磁选滚筒上方，可以调节高度；所述电磁吸盘与磁选滚筒通电可以产生磁性，从而吸附导磁性较好的铬铁矿砂。

作为本方案的进一步地设计，所述重力分离机构包括集砂料斗、电机b、螺旋送砂机、型砂收集仓d、型砂收集仓e、型砂收集仓f、出水阀、分离室、水箱、进水阀和输水管道；所述集砂料斗通过输水管道和进水阀与水箱相连，同时接收电磁分离机构筛选出的无导磁性的型砂颗粒；所述螺旋送砂机与分离室连接，由电机b驱动，将型砂颗粒均匀送入分离室内；所述分离室另一侧设置有出水阀；所述分离室下方依次设置有型砂收集仓d、型砂收集仓e和型砂收集仓f，沉降速度较快的型砂颗粒落入型砂收集仓d，相应沉降速度较慢的型砂颗粒落入型砂收集仓f。

作为本方案的进一步地设计，所述筛板上均匀分布着多个网孔，网孔形状为圆形，直径可设置在50μm-5mm。

作为本方案的进一步地设计，所述传送电机可以实现正反转，通过驱动滚筒和驱动链轮带动传送皮带实现正向输送与反向输送。

作为本方案的进一步地设计，所述电磁吸盘和磁选滚筒通电时的磁力可调，电磁吸盘磁力调节范围是2000-5000高斯，磁选滚筒磁力调节范围时6000-10000高斯。

作为本方案的进一步地设计，所述升降臂高度可调，通过升降臂伸缩可确保电磁吸盘与传送皮带之间距离为1-20cm。

本发明还提供了多材料混合冷冻砂型连续分级分离方法与装置，该方法包括如下步骤：

步骤1：打开进水阀，向分离室中注水至没过螺旋送砂机；

步骤2：将角度调节臂a、角度调节臂b调整至合适高度，启动电机a，调节送砂辊至合适转速，将多材质混合冷冻废砂倒入进料口，废砂颗粒均匀落入振动筛分机构；

步骤3：启动振动电机，筛箱带动筛框和筛板振动，废砂中粒径大于筛板孔隙的陶粒砂在振动作用下沿筛板下落，落入筛板底部的型砂收集仓a中，其余的砂粒从筛板上密布的孔隙中落下，经出料口落在电磁分离机构的传送皮带上；

步骤4：调节升降臂使电磁吸盘和传送皮带之间至合适距离，将电磁吸盘和磁选滚筒通电，分别调节电磁吸盘和磁选滚筒的磁力，启动传送电机带动传送皮带正向转动，随着废砂颗粒的输送，一部分铬铁矿砂被吸附在电磁吸盘上，另一部分铬铁矿砂被吸附在磁选滚筒上，这部分铬铁矿砂随传送带再次远离磁选滚筒直至磁力减弱到一定值，落入型砂收集仓c，没磁性的其他砂粒离开传送带时，在惯性作用下落入重力分离机构的集砂料斗中；

步骤5：电磁分离机构分离完成后，关闭传送电机，将电磁吸盘和磁选滚筒断电，此时吸附在电磁吸盘上的铬铁矿砂再次落在传送皮带上，启动传送电机控制传送皮带反向转动，铬铁矿砂随传送皮带运动落入型砂收集仓b中；

步骤6：启动电机b带动螺旋送砂机转动，将集砂料斗中的废砂颗粒均匀送入分离室中，废砂颗粒在分离室中发生自由沉降，密度较大的锆英砂沉降速度较大，水平移动距离较短，落入型砂收集仓d，密度较小的硅砂沉降速度较小，水平移动距离较长，落入型砂收集仓f，部分废砂颗粒沉降时由于距离较近，相互影响不再发生自由沉降，在相互作用下最终落入型砂收集仓e未能分离；

步骤7：打开出水阀，排出分离室内的水，将型砂收集仓e废砂颗粒取出，重新对分离室注水，将取出的废砂颗粒重新倒回集砂料斗中；

步骤8：重复步骤6和步骤7五到六次，直至绝大多数废砂颗粒分离进入型砂收集仓d和型砂收集仓f中；

步骤9：取出型砂收集仓d分离得到的锆英砂和型砂收集仓f分离得到的硅砂，烘干，收集型砂收集仓a中的陶粒砂，收集型砂收集仓b和型砂收集仓c中的铬铁矿砂，完成对多材质混合冷冻废砂的分类回收。

作为本方案的进一步地设计，所述分离室内废砂分离时，应确保型砂颗粒在水中的占比不超过1％，当颗粒浓度过高时，由于颗粒间相互作用明显，便会发生干扰沉降取代自由沉降过程，影响分离效果。

本发明的有益效果：

(1)本发明根据锆英砂和其他型砂颗粒密度不同而导致的沉降速度不同、水平位移距离不同的原理，设计了重力分离机构，实现了锆英砂和其他型砂材料的分离与回收，并达到了初步清洗废砂的效果。

(2)本发明设计了电磁吸板和磁选滚筒对铬铁矿砂进行两次吸附回收，大大提高了铬铁矿砂的分离率，能够使铬铁矿砂分离率达到90％以上。

(3)本发明集成耦合了振动筛分机构、电磁分离机构和重力分离机构，实现了陶粒砂、铬铁矿砂、硅砂和锆英砂四种型砂材料的连续分类再回收，减少工时，明显提高混合废砂分类回收工艺的自动化程度。

附图说明

图1为本发明实施例所述多材料混合冷冻砂型连续分级分离方法与装置示意图。

图2为本发明实施例所述振动筛分机构示意图。

图3为本发明实施例所述进料口的剖面图。

图4为本发明实施例所述筛板的侧视图。

图5为本发明实施例所述电磁分离机构示意图。

图6为本发明实施例所述重力分离机构示意图。

图7为本发明实施例所述分离室的尺寸设计图。

附图说明：1-振动筛分机构；2-型砂收集仓a；3-型砂收集仓b；4-机架；5-重力分离机构；6-型砂收集仓c；7-电磁分离机构；8-进料口；9-角度调节臂a；10-筛箱；11-筛板；12-筛框；13-复合弹簧；14-合页a；15-出料口；16-固定梁a；17-角度调节臂b；18-调节梁；19-振动电机；20-合页b；21-电机a；22-送砂辊；23-传送皮带；24-驱动滚筒；25-驱动链轮；26-传送电机；27-从动滚筒；28-固定梁b；29-张紧滚筒；30-磁选滚筒；31-电磁吸板；32-升降臂；33-收集料斗；34-电机b；35-螺旋送砂机；36-型砂收集仓d；37-型砂收集仓e；38-型砂收集仓f；39-出水阀；40-分离室；41-水箱；42-进水阀；43-输水管道。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-6所示，本实施例提供多材料混合冷冻砂型连续分级分离方法与装置，其特征在于:包括振动筛分机构，型砂收集仓a，型砂收集仓b，机架，重力分离机构，型砂收集仓c和电磁分离机构；所述振动筛分机构底部设有型砂收集仓a，振动筛分机构的下方由上往下依次设置有电磁分离机构和重力分离机构，重力分离机构位于电磁分离机构右下方；所述电磁分离机构两侧下方分别设置型砂收集仓b和型砂收集仓c，型砂收集仓b位于电磁分离机构驱动滚筒一侧，型砂收集仓c位于电磁分离机构磁选滚筒一侧；振动筛分机构实现陶粒砂的分离，电磁分离机构实现铬铁矿砂的分离，重力分离机构实现硅砂和锆英砂的分离；所述机架将上述机构与部件集成一体，保证整体装置的稳定运行。

所述振动筛分机构包括进料口、角度调节臂a、筛箱、筛板、筛框、复合弹簧、合页a、出料口、固定梁a、角度调节臂b、调节梁、振动电机、合页b、电机a和送砂辊；所述进料口通过角度调节臂a和合页b安装在筛箱上方，实现进料口角度的调节,角度调节臂a有7个挡位可以调节；所述进料口内部设有两根送砂辊，由电机a控制转动，通过调节转速控制下砂量，两根送砂辊转动方向相反，转速为0.5-3r/mi n，转速越快下砂速度越快；所述筛箱下侧设有筛板，并通过筛框将筛板固定在筛箱上，所述筛板上均匀分布着多个网孔，网孔形状为圆形，直径可设置在50μm-5mm，根据陶粒砂的具体粒径选择合适的网孔直径。筛箱与振动电机相连由振动电机提供振动动力；所述筛箱与调节梁之间通过4个复合弹簧连接，复合弹簧是金属螺旋弹簧和橡胶复合为一体的弹性体，集金属弹簧和橡胶弹簧的属性，起减震降噪的作用，延长振动筛分机构的使用寿命；所述调节梁和固定梁a之间通过角度调节臂b和合页a来连接，角度调节臂b有6个挡位可以调节，实现筛箱倾斜角度的调节以控制型砂颗粒沿筛板下落速度，角度越大，下落速度越快，筛分精度越差；所述固定梁a下方设置有出料口，振动筛分得到的较细小型砂颗粒经出料口落入电磁分离机构，较粗大颗粒沿筛板落入型砂收集仓a。所述电磁分离机构包括传送皮带、驱动滚筒、驱动链轮、传送电机、从动滚筒、固定梁b、张紧滚筒、磁选滚筒、电磁吸盘和升降臂；所述驱动滚筒通过驱动链轮与传送电机相连实现转动；所述传送皮带一端通过驱动滚筒旋转而带动运作，另一端由从动滚筒和磁选滚筒带动，传送电机可以实现正反转，通过驱动滚筒和驱动链轮带动传送皮带实现正向输送与反向输送；所述驱动滚筒、从动滚筒和磁选滚筒通过固定梁b固定在同一水平高度上，固定梁上还设置有两组张紧滚筒，调整传送皮带的张力确保传送皮带处于绷紧状态；所述电磁吸盘通过升降臂与固定梁b连接，设置在从动滚筒与磁选滚筒上方，可以调节高度，通过升降臂伸缩可确保电磁吸盘与传送皮带之间距离为1-20cm；所述电磁吸盘与磁选滚筒通电可以产生磁性，从而吸附导磁性较好的铬铁矿砂，电磁吸盘和磁选滚筒通电时的磁力可调，电磁吸盘磁力调节范围是2000-5000高斯，磁选滚筒磁力调节范围时6000-10000高斯，电磁吸盘磁力小于磁选滚筒磁力。所述重力分离机构包括集砂料斗、电机b、螺旋送砂机、型砂收集仓d、型砂收集仓e、型砂收集仓f、出水阀、分离室、水箱、进水阀和输水管道；所述集砂料斗通过输水管道和进水阀与水箱相连，同时接收电磁分离机构筛选出的无导磁性的型砂颗粒，应确保型砂颗粒在水中的占比不超过1％；所述螺旋送砂机与分离室连接，由电机b驱动，将砂水混合物均匀送入分离室内，确保型砂颗粒离开螺旋送砂机时速度基本一致；所述分离室另一侧设置有出水阀；所述分离室下方依次设置有型砂收集仓d、型砂收集仓e和型砂收集仓f，沉降速度较快的型砂颗粒落入型砂收集仓d，相应沉降速度较慢的型砂颗粒落入型砂收集仓f。

型砂颗粒离开螺旋送砂机进入分离室时，砂粒的水平速度几乎一致，砂粒借助自身重力在水中逐渐沉降，由于型砂颗粒在水中占比较很少，其在分离室中的沉降运动为自由沉降形式，沉降过程中互补碰撞、互不影响。采用试差法计算锆英砂和硅砂在20℃水中的沉降速度，假设颗粒是在滞流区内沉降。沉降速度表达式为：

其中d为沉降颗粒直径，ρ

硅砂和锆英砂粒径接近，流体密度、重力加速度和流体粘度均为恒定值，由公式可知，沉降速度只与沉降颗粒密度相关，实验测得锆英砂密度为4650kg/m

多材料混合冷冻砂型连续分级分离方法，该方法包括如下步骤：

分类回收40L包含陶粒砂、铬铁矿砂、硅砂和锆英砂四种型砂材料的冷冻砂型混合废砂，打开进水阀，向分离室中注水至没过螺旋送砂机；将角度调节臂a、角度调节臂b调整至合适高度，启动电机a，调节送砂辊至1r/mi n，将多材质混合冷冻废砂倒入进料口，废砂颗粒均匀落入振动筛分机构，送砂速度0.8L/mi n；启动振动电机，筛箱带动筛框和筛板振动，筛板网孔直径选用1mm，废砂中陶粒砂粒径大于1mm，在振动作用下沿筛板下落，最终落入筛板底部的型砂收集仓a中，其余的砂粒从筛板上密布的孔隙中落下，经出料口落在电磁分离机构的传送皮带上；调节升降臂使电磁吸盘和传送皮带之间至合适距离，为10cm，将电磁吸盘和磁选滚筒通电，分别调节电磁吸盘和磁选滚筒的磁力，电磁吸盘磁力调节为4500高斯，磁选滚筒磁力调节为9100高斯，电磁吸盘磁力较小，因为在电磁吸盘吸附时废砂中铬铁矿砂含量较高，如果磁力过高，铬铁矿砂会包覆及杂带石英砂和锆英砂，达不到筛分效果，此电磁吸盘磁力不能过高，启动传送电机带动传送皮带正向转动，随着废砂颗粒的输送，一部分铬铁矿砂被吸附在电磁吸盘上，未被电磁吸盘吸附的其他铬铁矿砂被吸附在磁力更高的磁选滚筒上，磁选滚筒吸附的铬铁矿砂随传送带再次远离磁选滚筒直至磁力减弱到一定值，落入型砂收集仓c，没磁性的其他砂粒离开传送带时，在惯性作用下落入重力分离机构的集砂料斗中；电磁分离机构分离完成后，关闭传送电机，将电磁吸盘和磁选滚筒断电，此时吸附在电磁吸盘上的铬铁矿砂再次落在传送皮带上，启动传送电机控制传送皮带反向转动，铬铁矿砂随传送皮带运动落入型砂收集仓b中，铬铁矿砂分离率超过90％；启动电机b带动螺旋送砂机转动，将集砂料斗中的废砂颗粒均匀送入分离室中，确保砂粒在水中占比约为0.2％，废砂颗粒在分离室中发生自由沉降，沉降效果较好，密度较大的锆英砂沉降速度较大，水平移动距离较短，落入型砂收集仓d，密度较小的硅砂沉降速度较小，水平移动距离较长，落入型砂收集仓f，部分废砂颗粒沉降时由于距离较近，相互影响不再发生自由沉降，在相互作用下最终落入型砂收集仓e未能分离；打开出水阀，排出分离室内的水，将型砂收集仓e中废砂颗粒取出，重新对分离室注水，将取出的废砂颗粒重新倒回集砂料斗中；重复重力分离过程五到六次，直至绝大多数废砂颗粒分离进入型砂收集仓d和型砂收集仓f中，最终废砂分离率达到95％以上，分类回收时间约1h；取出型砂收集仓d分离得到的锆英砂和型砂收集仓f分离得到的硅砂，烘干，收集型砂收集仓a中的陶粒砂，收集型砂收集仓b和型砂收集仓c中的铬铁矿砂，完成对多材质混合冷冻废砂的分类回收。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。